液晶电光效应

液晶电光效应LiquidCrystalElectro-OpticEffect三级物理实验内容简介•液晶介绍•实验目的•实验原理•实验仪器•实验内容及步骤•思考题液晶介绍液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象影响液晶性能的主要参数：清亮点；折射率Δn；阀值电压；纯净度；粘滞常数K；介电常数ε；螺距ρ1888年，奥地利叫莱尼茨尔的科学家，合成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时，便熔成液体，只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时，它似乎再次熔化，变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶。它好比是既不象马，又不象驴的骡子,所以有人称它为有机界的骡子.液晶自被发现后，人们并不知道它有何用途，直到1968年,人们才把它作为电子工业上的材料.1963年，RCA公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变。5年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay）的开端。而当初，液晶作为显示屏的材料来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。然而，1973年，格雷教授（英国哈尔大学）发现了稳定的液晶材料（联苯系）。1976年，由SHARP公司在世界上首次，将其应用于计算器（EL-8025）的显示屏中，此材料目前已成为LCD材料的基础。液晶历史液晶分类热致液晶（thermotropicLC）向列相（nematic）例如：油酸铵CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONH4近晶相（smectic）例如：对氧化偶氮苯甲醚：CH3OC6H4(NO)=NC6H4OCH3胆甾相（cholesteric）例如：苯甲酸胆甾酶酯：C6H5COOC27H45碟型（discotic）溶致液晶（lyotropicLC）重现性液晶（recentrantLC）按显示类型分：TN型液晶、STN型液晶、HTN型液晶；按清亮点分：普通型液晶、宽温型液晶；按阀值电压分：低阀值电压液晶、普通液晶、高阀值电压液晶。向列相是最简单的液晶相，它的分子成棒状，局部地区的分子趋向于沿同一方向排列。分子短程相互作用比较弱，其排列和运动比较自由，分子这种排列状态使其粘度小、流动性强。向列相液晶的主要特点是具有单轴晶体的光学性质，对外界作用非常敏感，是液晶显示器件的主要材料。热致液晶之向列相近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。近晶相液晶分子也成棒状，分子排列成层，每层分子长轴方向是一致的，但分子长轴与层面都呈一定的角度。层的厚度约等于分子的长度，各层之间的距离可以变动。由于分子层内分子结合力强，层与层间结合力弱，所以这种液晶有流动性，但粘度比向列相液晶大。近晶相液晶具有正性双折射性，因此，近晶相液晶显示器件比向列相液晶显示器件的特性更优越。热致液晶之近晶相它的分子呈扁平层状排列，分子长轴平行层平面，层内各分子长轴互相平行（对应方向）相邻两层内的分子长轴方向有微小扭转角，各层分子指向矢，沿着层的法线方向连续均匀旋转，使液晶整体结构形成螺旋结构，螺旋扭转360°的两个层面的距离叫做螺距，用L表示，通常L为102nm的数量级。这种特殊的螺旋状结构使得该种晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性光散射等特殊光学性质。因此，常将胆甾相液晶作为控制液晶分子排列的添加剂或直接作为变色液晶膜热致液晶之胆甾相溶致液晶溶致液晶是由两种或两种以上的组分形成的液晶，其中一种是水或其它的极性溶剂。这是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。典型的溶质部分是由一个具有一端为亲水集团，另一端为疏水集团的双亲分子构成的。如十二烷基磺酸钠或脂肪酸钠肥皂等碱金属脂肪盐类等。它的溶剂是水，当这些溶质溶于水后，在不同的浓度下，由于双亲分子亲水、疏水集团的作用会形成不同的核心相（middle）和层相（lamella），核心相为球形或柱形。层相则由与近晶相相似的层式排布构成。溶致液晶中的长棒状溶质分子一般要比构成热致液晶的长棒状分子大得多，分子轴比约在15左右。最常见的有肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化剂溶液等。溶质与溶质之间的相互作用是次要的。由于分子的有序排布必然给这种溶液带来某种晶体的特性。例如光学的异向性，电学的异向性，以至于亲合力的异向性。例如肥皂泡表面的彩虹及洗涤作用就是这种异向性的体现。溶致液晶不同于热致液晶。它们广泛存在于大自然界、生物体内，并被不知不觉应用于人类生活的各个领域。如肥皂洗涤剂等。生物物理学，生物化学、仿生学领域都深受注目。这是因为很多生物膜、生物体，如神经、血液、生物膜等生命物质与生命过程中的新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等生命现象都与溶致液晶态物质及性能有关。因此在生物工程、生命、医疗卫生和人工生命研究领域，溶致液晶科学的研究都倍受重视。液晶态的表征偏光显微镜利用液晶态的光学双折射现象，在待有控温热台得偏光显微镜下，可以观察液晶物质的织构，测定转变温度。所谓织构，一般指液晶薄膜（厚度约10-100微米）在光学显微镜，特别是正交偏光显微镜下用平行光系统所观察到的图像，包括消光点或者其他形式的消光结构乃至颜色的差异等。热分析研究液晶态的原来在于用DSC或者DTA直接测定液晶相变时的热效应及其转变温度。缺点是不能直接观察液晶形态，并且少量杂质也会出现吸热峰或者放热峰，影响液晶态的准确判断。除此之外还有，X射线衍射、电子衍射，核磁共振，电子自旋共振，流变学和流变光学等手段。液晶的工厂自适应测试方法及判定标准电阻率A、测试方法：用高阻计测试待测液晶的电阻值。B、判定标准：测试结果在产品要求范围之内（本厂标准≥8X107）光电性能A、测试方法：试灌产品，并测试其光电性能。B、判定标准：测试样品Von、Voff值与供货商参数相符，视角、对比度、底色符合生产产品要求。清亮点A、测试方法：把待测液晶加热，测量其达到清亮点时的温度。B、判定标准：测量结果温度与供货商提供的清亮点温度一致。耐紫外线性能A、测试方法：把待测液晶试作产品，平放在封口UV机下，按封口工艺规定的UV强度和时间照射两次，测试其照射前后的光电性能变化。B、判定标准：经UV照射后，Voff值上升在0.1V以内（低电压液晶在0.15V以内），电流值变化在2倍以内，对比度下降不明显为合格。可靠性A、测试方法：把待测液晶试作产品并测试其可靠性性能。B、判定标准：经可靠性试验后光电性能变化在产品要求范围之内。实验目的1.在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线。2.观察液晶光开关的时间响应曲线，并求出液晶的上升时间和下降时间。3.测量液晶显示器的视角特性。4.了解一般液晶显示器件的工作原理。液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子的形状类似棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。液晶分子实验原理扭曲向列型(TN)液晶TN型液晶，是目前应用最普遍的液晶显示器件。光线进入液晶分子之后，其偏振方向将向液晶分子长轴方向靠拢。当光线射入液晶物质中，会按照液晶分子的排列方式行进，产生了自然的偏转现象扭曲向列型(TN)液晶两张偏振片贴于玻璃的两面，上下电极的定向方向相互垂直，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。（见原理示意图）TN型液晶光开关工作原理入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸液晶光开关工作原理示意图1、当施加足够电压时(一般为1～2V)，在静电场的作用下，液晶分子趋于平行于电场方向排列。原来的扭曲结构被破坏，从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断2、由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常白模式TN型液晶光开关工作原理液晶分子的电学效应动画模拟液晶光开关电光特性曲线液晶驱动电压和时间响应曲线下降时间上升时间液晶图像显示原理ABCDEabcdef液晶光开关组成的矩阵式图形显示器，工作方式为扫描方式，显示原理如右图所示。实验仪器外观框图示意实验内容1.校准透过率为100％，2.液晶电光特性的测量静态模式下使电压从0V到6V记录相应的透射率。绘制电光曲线图求出阈值电压与关断电压。3.液晶时间特性曲线测定静态闪烁状态，透过率为100％，电压为2V,由示波器观察到驱动电压波形及时间特性曲线，并求出上升时间与下降时间。实验内容与步骤4.液晶视角特性的测量(1)水平视角的测量电压在0V下，角度从-85度至+85度,读出每一角度下透射率的最大值。电压在2V下，角度从-85度至+85度,读出每一角度下透射率的最小值。计算对比度，绘制曲线图。(2)垂直视角的测量（同上）5.液晶图像显示原理动态模式，电压5V左右。按矩阵开关可以改变像素的通断状态，使暗或亮像素组合成一个字符或文字。实验内容与步骤实验内容与步骤具体详细说明有实验室给出。（讲义中的实验步骤为测试版，每位实验老师需根据自己实验过程，将实验步骤完整的文档发给我，最后综合出实验步骤完整版）实验步骤注意事项1．绝对禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛！2．在进行液晶视角特性实验种，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板；3．液晶板凸起面必须要朝向激光发射方向，否则实验记录的数据为错误数据；4．在调节透过率100％时，如果透过率显示不稳定，则很有可能是光路没有对准，5．在校准透过率100％前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V或显示大于“250”，否则无法校准透过率为100％。在实验中，电压为0.00V时，不要长时间按住“透过率校准”按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。思考题：1.如何确定本实验所使用的液晶样品是常黑型的还是常白型的。2.在显示领域中，液晶显示屏（TFT-LCD)替代传统的显示器(CRT)的只要原因是什么？